1開關電源分析

　　開關電源產生電磁干擾**基本的原因，是在操作期間產生的高DI / DT和高dv/DT，浪涌電流和尖峰電壓形成干擾源。電力頻率整流濾波的大電容充電放電，開關管的電壓切換，輸出的反向恢復電流整流二極管是干擾源。開關電源中的電壓電流波形大多是靠近矩形的周期性波，例如開關的驅動波形，MOSFET漏源波形等。對于矩形波，循環的倒數確定波形的頻率;兩次脈沖邊緣上升時間或下降時間的倒數確定由這些邊緣引起的頻率分量的頻率值，典型值\ u200b \ u200binMHz的范圍，諧波頻率較高。這些高頻信號由開關電源的信號干擾，尤其是控制電路的信號。

　　開關的電磁噪聲電源可以分為來自噪聲源的兩類。一個是外部噪聲，例如，通過網格差模噪聲發送的共同模式和差模噪聲，外部電磁輻射對開關電源控制電路等的干擾。另一個類別是由開關電源產生的電磁噪聲，例如由開關和流量管的電流峰值產生的諧波和電磁輻射。

　　如圖1所示。如圖1所示，網格的共模和差模噪聲與開關電源相連，并且開關電源也為電磁干擾（圖中返回）產生電磁干擾和負載。噪聲，輸出噪聲和輻射干擾）。開關EMI/EMC在一方面設計時，必須防止切換電源在另一方面加強對網格和附近電子設備的干擾，以加強開關電源本身對電磁騷擾環境的適應性。由下面的開關電源的特定分析產生的原因和途徑。

　　圖1開關電源噪聲類型

　　1.1電源線路引入的電磁噪聲

　　電源線噪聲是由沿網格中的各種電氣設備產生的電磁騷擾引起的，沿著電源線傳播。 電源線噪聲分為兩類：共模干擾，差模干擾。 共模干擾（Common - mode Interference）定義為載流導體和參考地之間的不期望的電位差; 差模干擾（Differential - mode Interference）定義為它之間的任何兩個載流導體的不需要的潛在差異。兩種干擾等效電路如圖2所示。CP1是變壓器的主要和次級之間的分布電容，并且CP2是開關電源和散熱器之間的分配電容器（即，開關管收集器和地之間的分配電容。

　?。╝）共模干擾

　?。╞）差模干擾

　　圖2兩種干擾等效電路

　　如圖2（a） 所示，當開關V1從接通狀態變為斷開狀態時，開關V1的集電極電壓升高到高電壓，這使得共模電流 Icm2充電 CP2 和共模電流 Icm1充電 CP1。分布式電容器的充電頻率是開關 電源 的工作頻率。線 中共 模式電流的總幅值是 （Icm1 +Icm2）。如圖2 （B） 所示，當V1接通時，差模 電流 Idm 和信號電流IL沿著由導線、變壓器初級和開關管組成的回路流動。從等效模型可以看出，共模干擾電流 不是通過接地線傳輸，而是通過輸入 電源 線傳輸。同時 差模干擾電流 通過接地線和輸入 電源 線環路傳輸。因此，在設置 電源線濾波器 時，我們應考慮到 差模干擾 和 共模干擾 之間的差異，并使用 差模 或共模濾波器元件來抑制其傳輸路徑中的干擾，以達到**佳的濾波效果。

　　1.2輸入電流失真引起的噪聲

　　開關 電源 的輸入通常是 橋式整流 和電容濾波型整流 電源。如圖3所示，在沒有 PFC 功能的輸入級，二極管的 導通角 由于 整流二極管 的非線性和濾波電容器的儲能而變小，輸入電流I成為具有短時間和高峰值的周期性尖峰電流。除了 基波 分量之外，該失真電流基本上還包含豐富的高次諧波分量。這些高次諧波成分注入電網，造成嚴重的諧波污染，對電網上的其他電器造成干擾。為了控制開關 電源 對電網的污染，實現高功率因數，PFC 電路是必不可少的部分。

　　圖3未施加 PFC 電路的輸入電流和電壓波形

　　來自1.3開關管和變壓器的干擾

　　主開關管是開關 電源 的核心器件，也是 干擾源。它的工作頻率與電磁干擾的強度直接相關。隨著開關管工作頻率的增加，開關管電壓和電流的開關速度增加，其傳導干擾和輻射干擾也增加。此外，主開關管上的反并聯箝位二極管反向恢復特性不好，或者電壓尖峰吸收電路參數選擇不當也會造成電磁干擾。

　　在開關 電源 的操作期間，由初級濾波大電容、初級線圈 高頻變壓器 和開關管形成高頻電流回路。這個環路產生大的輻射噪聲。開關電路中的開關管的負載是 高頻變壓器 初級線圈，其是電感性負載。因此，當開關管打開和關閉時，尖峰噪聲將出現在初級 高頻變壓器 的兩端。較輕的會造成干擾，較重的會破壞開關管。主變壓器繞組之間的分布電容和漏感也是引起電磁干擾的重要因素。

　　1.4輸出產生的干擾 整流二極管

　　理想二極管在經受 反向電壓 時關閉，沒有反向電流通過。但是，當實際的二極管引導時，pn結中的電荷會累積。當二極管承載 反向電壓 時，pn結中積累的電荷將被釋放并形成反向恢復電流。它回到零點的時間與結電容等因素有關。反向恢復電流在變壓器漏感等分布參數的影響下會產生較強的高頻衰減振蕩。因此，輸出 整流二極管 的反向恢復噪聲也成為開關 電源 中的主要 干擾源。在二極管 并聯RC緩沖器 的兩端可以抑制反向恢復噪聲。

　　由1.5分布和寄生參數引起的開關 電源 噪聲

　　開關電源的分布參數是大多數干擾的內部因素。開關電源與散熱器之間的分布電容、變壓器一次級與二次級之間的分布電容、一次側與二次側的漏感都是噪聲源。共模干擾通過變壓器的一次和二次之間以及開關電源和散熱器之間的分布電容傳輸。變壓器繞組的分布電容與高頻變壓器繞組的結構和制造工藝有關。通過改進繞組工藝和結構，增加繞組間的絕緣，采用法拉第屏蔽，可以減小繞組間的分布電容。開關電源和散熱器之間的分布電容與開關管的結構和開關管的安裝方式有關。使用帶屏蔽的絕緣墊片可以減小開關管和散熱器之間的分布電容。

　　如圖4所示，所有工作在高頻下的元件都具有高頻寄生特性，這些特性會影響它們的工作狀態。當高頻工作時，導線變成發射線，電容變成電感，電感變成電容，電阻變成諧振電路。查看圖4中的頻率特性曲線可以發現，當頻率過高時，元件的頻率特性會發生很大變化。為了**開關電源在高頻工作時的穩定性，在設計開關電源時應充分考慮高頻工作元件的特性，并選擇高頻特性較好的元件。此外，在高頻下，導線寄生電感的電感顯著增大，**終由于電感的失控而成為一條發射線。它變成開關干擾源中的輻射電源。

　　圖4高頻工作時元件的頻率特性。

　　一、電磁兼容設計。

　　電磁兼容是指電子設備在各種電磁環境中和諧**工作的能力。電磁兼容設計的目的是使電子設備既能抑制各種外界干擾，使電子設備能在特定的電磁環境下正常工作，又能降低電子設備本身對其他電子設備的電磁干擾。

　　1.選擇合理的線寬。

　　由于暫態電流對印刷線產生的沖擊干擾主要是由印刷線的電感引起的，因此應盡可能降低印刷線的電感。印刷導線的電感與其長度成正比，與其寬度成反比，因此短而細的導線有利于抑制干擾。時鐘引線、線路驅動器或總線驅動器的信號線通常包含較大的瞬態電流，印刷導線應盡可能短。對于分立元件電路，當印制線寬度為1.5 mm左右時，印制線寬度完全滿足要求；對于集成電路，印制線寬度可在0.2~1.0 mm之間選擇。

　　二.。采用正確的布線策略。

　　采用等布線可以降低導線電感，但增大了導線間的互感和分布電容。在布局允許的情況下，**好采用形狀良好的網狀布線結構，具體方法是水平布線的印制板一側，縱向布線的另一側，然后在交叉孔與金屬化孔相連。

　　為抑制印制板線之間的串擾，應盡量避免長距離等距布線，盡量延長線與線之間的距離，信號線、地線與電源線盡量不交叉。在一些對干擾非常敏感的信號線之間設置接地打印線可以有效地抑制串擾。

　　為避免高頻信號通過印制導線產生電磁輻射，接線印制電路板時還應注意以下幾點：

　　● 盡量減少印制線的不連續性，如導線寬度不應突然，導線轉角應大于90度，不得采用圓形接線。

　　● 時鐘信號引線**容易產生電磁輻射干擾。接線時，應靠近接地電路，司機應靠近連接器。

　　● 公共汽車司機應靠近待駕駛的公共汽車。對于那些離開印制電路板的導線，驅動器應靠近接頭。

　　● 數據總線接線中的每兩條信號線之間應夾一根信號接地線。**好將接地回路置于**不重要的地址引線附近，因為這些導線通常攜帶高頻電流。

　　3.抑制反射干擾

　　為了抑制印刷線末端的反射干擾，除了特殊需要外，還應盡量縮短印刷線長度，采用慢電路。如有必要，可增加端子匹配，即在接地和電源端增加相同電阻值的匹配電阻。根據經驗，對于一般快速TTL電路，印刷線大于10cm時，應采取終端匹配措施。匹配電阻電阻值根據集成電路輸出驅動電流和吸收電流**大值確定。

　　2、 去耦電容配置

　　在DC電源電路中，負載的變化將導致電源噪聲。例如，在數字電路中，當電路從一的一種狀態轉換為另一種狀態時，將在線路電源上產生大峰值電流，形成瞬態噪聲電壓。配置去耦電容可抑制負荷變化引起的噪聲，這是印制電路板的可靠性設計中的一種常見做法。配置原理如下：

　　● 電源輸入端與10-100uf電解電容器連接。如果允許印制電路板的位置，容量大于100uF的電解電容器的抗干擾效果會更好。

　　● 每個集成電路芯片應提供一個0.01uF陶瓷電容器。如果空間小印制電路板，不能安裝，則每4-10片可配置1-10uf鉭電解電容器。本裝置高頻阻抗特別小，500khz-20MHz范圍內阻抗小于1Ω， 泄漏電流很小（低于0.5ua）。

　　● 對于在停機和存儲裝置ROM、RAM期間噪聲能力弱、電流變化較大的設備，應在芯片電源線（Vcc）與地線GND）之間直接接入去耦電容。

　　去耦電容的引線不應過長，特別是高頻旁路電容不應有引線。

　　3、 印制電路板尺寸和設備布置

　　印制電路板尺寸適中，印刷線過大時長，阻抗增大，不僅降低了抗噪聲能力，而且成本高；體積太小，散熱不好，容易受到相鄰線路的干擾。

　　在器件布置方面，與其他邏輯電路一樣，應盡量將相關器件放置在**近的位置，從而獲得更好的抗噪聲效果。時間發生器、晶體振蕩器和CPU的時鐘輸入容易產生噪聲，且它們應彼此更接近。器件、小電流電路和容易產生噪聲的大電流電路應盡量遠離邏輯電路，這一點非常重要。如果可能，應制作電路板。

　　4、 熱設計

　　從散熱角度看，印刷板安裝應直立。板與板之間的距離一般不應小于2cm。此外，印刷板上設備的布置應遵循一定的規則：

　　**好以縱向方式（優選（或其他裝置）排列（或其他裝置），優選（或其他裝置），其優選為（或其他裝置）（或其他裝置）。長模式布置。

　　同一塊印制板上的裝置應該盡可能多地使用，以安排散熱量和散熱度，發熱量或耐熱性差（例如小信號晶體管（例如小信號晶體管）小規模集成電路 ，電解電容等置于冷卻氣流中。放置在冷卻氣體流的底部的**上游（入口），高發熱或良好的耐熱性（例如功率晶體管，大規模集成電路等）。

　　在級別方向上時，高功率器件如靠近印制板邊緣布置，以縮短傳熱路徑;在垂直方向上中，高功率器件布置在上方印制板以減少用于其他設備的這些裝置。溫度的影響。 **好將溫度溫度（例如裝置的底部）放置在溫度（例如底部），不要將其直接放在發熱裝置上方，并且多個裝置優選地在水平面上隔行。

　　器件印制板的散熱主要依賴于空氣流動，因此在設計時必須研究空氣流路，合理的配置裝置或印制電路板。當空氣流動時，它總是往往會流動小阻力，因此當設備配置在印制電路板時，有必要避免在區域中的大型空域。整個機器中多個印制電路板的配置也應該注意同樣的問題。

　　大量實際經驗表明，使用合理的設備布置可以有效地降低印刷電路的溫度升高，從而降低了裝置的故障率和裝置。

　　上述上述一般原理僅是可靠性設計的一般原理，并且印制電路板可靠性與特定電路密切相關，并且不需要根據設計中的特定電路執行以**大化印制電路板的可靠性 。